Przykro mi, to pytanie jest prawdopodobnie głupie dla zawodowych astronomów, których nie jestem jednym.
Na wykładach często słyszę, że zaraz po Wielkim Wybuchu wszechświat był mały, powiedzmy, wielkości grejpfruta lub coś w tym rodzaju. Ale z powodu inflacji, która rozciągała przestrzeń w superświatle (ale skończonej) prędkości, obserwowalny wszechświat może teraz nie być całym wszechświatem, a cały wszechświat może być nieskończony. Jeśli jest nieskończony, wydawałoby się, że musiałby być nieskończony również w niemowlęctwie, po prostu bardzo gęsty. W rzeczywistości wydaje się „na granicy”, musiał być nieskończony nawet w Wielkim Wybuchu.
Tak więc pytania:
Czy wczesny wszechświat był mały, czy tylko gęsty, ale wciąż nieskończony?
A może w Wielkim Wybuchu było nieskończone?
Kiedy astronomowie mówią, że wczesny wszechświat był mały, czy oni po prostu mają na myśli „część wszechświata, która odpowiada naszemu obserwowanemu wszechświatowi, była mała”?
źródło
Odpowiedzi:
To pytanie wcale nie jest głupie. Wasze pytanie jest powszechne na temat kosmologii (studium skąd wziął się wszechświat, jak się rozwija i jaki będzie jego los). Media często rzeźbią te koncepcje okropnie, co powoduje wiele zamieszania (ze wszystkich informacji naukowych wydaje się, że najtrudniej jest im dokładnie przekazać kosmologię). Twoja inkwizycja jest zdecydowanie dobra.
Cóż, zwykle odnoszą się do całego Wszechświata. W ostatnim akapicie wyjaśniam, co to oznacza dla obserwowalnego wszechświata.
Jesteś bliżej prawdy. Kiedy mówimy o ekspansji Wszechświata, naprawdę mówimy, że przestrzeń powstaje między całą materią.
Jak wspomniałeś, Wszechświat może być nieskończony. Nie jest jak kula, ale raczej jak płaska siatka, a jej „ekspansja” oznacza po prostu, że odległości między obiektami na siatce stają się coraz większe. Zasadniczo między obiektami powstaje więcej miejsca. To rozumiemy przez ekspansję - że obiekty oddalają się od siebie, ponieważ między nimi powstaje więcej przestrzeni. Poniżej znajduje się gif, który zrobiłem, aby to zademonstrować:
Bardziej użytecznym sposobem na opisanie tego jest stwierdzenie, że siatka się rozszerza - sama przestrzeń, jako układ współrzędnych, rośnie. Jako analogię, wyobraź sobie, że wyprowadzasz psa. Nagle ziemia zaczyna się rozszerzać między wami. Ty i twój pies oddzielicie się i będziecie się oddalać od siebie.
To samo dzieje się z naszym wszechświatem. Siatka w rzeczywistości rośnie, a przedmioty są z nią usuwane.
OK, teraz, kiedy opracowaliśmy podstawowe koncepcje, przedstawię jeszcze jedną terminologię. „Współczynnik skali Wszechświata” odnosi się do tego, jak bardzo wszechświat się rozszerzył, w porównaniu do chwili obecnej. Na przykład, jeśli za miliard lat współczynnik skali wyniesie 3, oznacza to, że każdy obiekt we Wszechświecie jest 3 razy dalej od siebie w porównaniu do teraz. Jeśli współczynnik skali 700 milionów lat temu wynosił 0,8, wówczas wszystko było bliżej o współczynnik 0,8 w tym czasie. Z definicji współczynnik skali wynosi teraz 1.
Tak więc, jeśli Wszechświat rozszerza się teraz, spodziewalibyśmy się, że będzie mniejszy, gdy spojrzymy w przeszłość - tzn. Współczynnik skali byłby mniejszy. Ogólna teoria względności przewiduje, że współczynnik skali wyniesie zero 13,8 miliarda lat temu. Oznaczałoby to, że każdy obiekt byłby zero razy większy od obecnej odległości od nas - innymi słowy, nie byłoby miejsca.
Jeśli uważasz, że Wszechświat bez przestrzeni jest niemożliwy, masz rację. Najwyraźniej mamy sprzeczność. W GR nie możesz mieć czasoprzestrzeni z zerową spacją.
Nasze współczesne teorie fizyczne działają po kilku ułamkach sekundy po chwili sprzeczności, a nasze obserwacje są zgodne z ideą bardzo gęstego wczesnego wszechświata. Jednak nasze teorie rozpadają się, gdy próbujemy modelować Wszechświat we wcześniejszych i wcześniejszych czasach, dopóki nie okażą się już trafne, co uniemożliwia nam wyjaśnienie najciekawszego momentu.
Właśnie dlatego moment Wielkiego Wybuchu jest jedną z największych tajemnic w kosmologii. Teorie takie jak grawitacja kwantowa powstały, aby wyjaśnić warunki w pobliżu Wielkiego Wybuchu, ale na razie żadna z nich nie jest wystarczająca.
Rzeczywiście problem wynika z niejasności, gdy mówi się „wszechświat”. W tym przypadku odnoszą się one do obserwowalnego wszechświata, który jest faktycznie kulisty. Obserwowalny wszechświat był rzeczywiście znacznie mniejszy w czasach Wielkiego Wybuchu, w porównaniu do jego promienia.
Wynika to z faktu, że jego promień faktycznie zależy od współczynnika skali * naszego Wszechświata, co oznacza, że w chwili, gdy GR przewiduje współczynnik skali na zero, przewiduje także rozmiar obserwowanego wszechświata na zero.
Oczywiście nie może tak być, ponieważ, jak wyjaśniliśmy powyżej, współczynnik skali nie powinien być możliwy do zera. Możemy jednak stwierdzić z rozsądną pewnością, że obserwowany wszechświat był prawdopodobnie wielkości grejpfruta w pewnym momencie, jeśli nie mniejszy (chociaż „grejpfrut” wydaje się być arbitralnym wyborem do porównania. Nie mogę znaleźć papieru, który po raz pierwszy używa tego analogia, więc to, co pierwotnie mieli na myśli, jest nieco niejasne).
* Pomiar odległości jest w rzeczywistości nieco trudny w kosmologii; w niektórych przypadkach chcemy mówić o odległościach lub ruchu obiektów, zaniedbując ekspansję Wszechświata. Aby zaoszczędzić ci potrzeby uczenia się dużej terminologii, teraz biorę pod uwagę ekspansję Wszechświata, mówiąc o wielkości obserwowalnego wszechświata. Obserwowalny wszechświat rośnie również z powodu czynników poza ekspansją Wszechświata, tj. Światła z dalszych i dalszych galaktyk docierających do nas.
źródło